CN101820333B - 基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法，利用无速率码的自适应链路适配特性，在认知多用户多信道系统中各个从用户发送端无需知道任何子信道状态信息，以及在传输过程中无需任何反馈重传机制，并且满足对主用户通信干扰限制的条件下，给出传输方法的操作步骤和最大化从用户吞吐量时各个从用户选择的子信道数目的最佳值，从而完成认知多用户多信道系统中各用户信息的有效可靠的传输。

Description

基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法。

背景技术

随着各种无线通信技术应用的快速发展，无线频谱资源日趋紧张。为了有效地提高频谱资源的利用效率，认知无线电(Cognitive Radio)技术成为目前无线通信领域研究的热点。认知无线电技术的核心思想是，它通过可靠地感知频谱环境，探测授权的主用户的活动状态，同时允许未授权的从用户自适应地、机会式地动态占用即时可用的频谱资源，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。最近，认知无线电系统(简称认知系统)在多用户多信道环境下的通信问题受到越来越多的关注。为了保证主用户的QoS(Quality ofService)要求，从用户需要具有可靠的频谱感知能力以动态接入空闲子信道，以及良好的接入传输技术以完成自身的通信。一种具有公共控制信道的信道选择策略(见“Distributed coordination protocol for common control channelselection in multichannel Ad-Hoc cognitive radio networks，”in Proc.IEEEWiMob’09，pp.227-232，Nov.2009.)被提出，通过利用主用户活动规律和从用户之间的相互联系以完成信息的传输；一种基于排队模型的动态频谱选择方法(见“Dynamic channel selection for multi-user video streaming over cognitiveradio networks，”in Proc.IEEE ICIP’08，pp.2316-2319，Oct.2008)被提出以保证主用户的QoS要求；而一种基于感知时间策略的信道选择方法(见“Detectiontiming and channel selection for periodic spectrum sensing in cognitive radio，”inProc.IEEE Globecom’08，pp.1-5，Nov.2008.)被提出以充分利用频谱资源。但是以上策略和方法都是基于中心式控制机制，需要有一个中心控制节点以及相应的控制信道、控制协议以实现各个从用户之间控制信息的交互，从而完成各用户的通信，这样系统的复杂度和开销都很大。如何在各个从用户不需要任何信息交互的情况下完成分布式的接入传输，成为一个具有重要意义的研究问题。

另外，在通信过程中使用的信道编码方式同样会影响到系统的频谱使用效率。传统的码率固定的编码方式(如分组码，卷积码等)，需要发送端估计信道状态信息CSI(Channel State Information)以设计一个固定的传输码率，并且在传输过程中需要引入良好的反馈重传机制以保证每一个编码包的正确传输。另外，在多用户多信道系统中，不同信道上编码包之间的调度策略也必须进行良好的设计以保证通信的有效进行。这些操作都会给系统带来很大的开销和时延，降低频谱使用效率。最近，一种具有自适应链路适配特性的新型信道编码方式——无速率码(Rateless Code)，被提出并应用到无线通信中。无速率码与传统的码率固定的编码方式最大的不同在于它在发送端不设定固定码率，其编码包的个数是没有限制的。发送端按照一定方式源源不断的随机产生编码包并发送出去，接收端则在接收到这些编码包后尝试译码。接收端并不关心具体的某一个编码包是否被成功接收，而是关心成功接收到的编码包的总数量。接收端在接收到足够多的编码包后尝试译码，如果译码失败，可以再多接收一些编码包然后继续尝试译码，接收端一直重复这个过程直到译码成功。一旦译码成功，接收端只需要发送一个非常简单的信号告知发送端停止编码包的发送即可，这样就完成了整个传输过程。由此可见，采用无速率码编码方式，可以在发送端不知道任何CSI，以及在传输过程中无需任何反馈重传机制的条件下，自适应地调整传输码率，保证信息有效可靠的传输。在多用户多信道系统中，使用无速率码能够有效地对抗不同编码包间的冲突碰撞，不需要考虑不同信道上编码包的调度问题，从而能有效地提高频谱使用效率。

以此为启发，本专利结合认知无线电技术和无速率码技术，提出一种基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法中，认知多用户多信道系统由任意个主用户和K个从用户组成，系统中包含N_total条子信道，在每一个长度为T的传输时隙，每一个从用户所面对的所有子信道都是独立同分布，服从方差参数σ²＝1的瑞利信道；各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态，主用户不占用子信道对应的状态为“空”，反之为“忙”，对于子信道n，由状态“忙”向状态“空”的转移速率为α，由状态“空”向状态“忙”的转移速率为β，其中n为子信道标号，n＝1，2，...N_total；各个从用户感知子信道“空”或“忙”状态的误检概率为θ，虚警概率为δ；对于从用户k，其发送端有H_k个消息数据包需要传输，其中k表示从用户标号，k＝1，2，...，K，从用户k对自己的H_k个消息数据包通过无速率码进行编码，得到源源不断生成的编码包，并按照如下步骤进行接入传输操作：

1)在每一个传输时隙，从用户k的发送端首先感知各个子信道的“空”或“忙”的状态，从用户k的发送端在每一个传输时隙感知得到的状态为“空”的子信道数目N可由下式表达：

$N=N_{\mathrm{total}}(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·(1-\mathrm{\δ})+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·\mathrm{\θ});$

2)从用户k的发送端从N条感知得到的状态为“空”的子信道中随机选择L条供自己使用，在每一条选中的子信道上发送一个编码包，从用户k的传输信噪比设定为

3)从用户k的接收端接收从选中的子信道上传输而来的编码包，设定一个译码信干噪比门限值ξ，只有当编码包的接收信干噪比大于此门限值时，才将该编码包做硬判决并用于译码，否则丢弃该编码包；

4)重复步骤1)到步骤3)，直至从用户k的接收端接收到H_k(1+ε)个接收信干噪比大于译码信干噪比门限值ξ的编码包并完成译码，其中ε是无速率码的编码参数，从用户k的接收端发送一个反馈信息，告知其发送端停止编码包的传输。

所述的从用户k的发送端从N条感知得到的状态为“空”的子信道中随机选择L条供自己使用步骤包括：在给定各个从用户在每一个传输时隙感知得到的状态为“空”的子信道数目N、系统中从用户数目K、传输时隙长度T、各子信道由状态“忙”向状态“空”的转移速率α、由状态“空”向状态“忙”的转移速率β、各个从用户感知子信道“空”或“忙”状态的误检概率θ、虚警概率δ、译码信干噪比门限值ξ、从用户传输信噪比

从用户与主用户的编码包相冲突碰撞的最大概率限制Γ的情况下，可以按照如下方法确定各个从用户在每一个传输时隙随机选择的子信道数目的最佳值L^*，从而在满足对主用户通信干扰限制的条件下，最大化从用户吞吐量：

(1)计算L的取值上限值

式中

表示下取整运算；

(2)计算拐点值

(3)计算

式中min{.}表示取最小值运算；

(4)根据L_optimal的值进行判决，如果L_optimal＝L_max，则令L^*＝L_max，退出L^*的求解过程；否则进入步骤(5)；

(5)令

式中表示下取整运算，

表示上取整运算，令函数

将L_left和L_right代入f(L)的表达式中，如果f(L_left)≥f(L_right)，则令L^*＝L_left；否则令L^*＝L_right。

本发明利用无速率码的自适应链路适配特性，在认知多用户多信道系统中各个从用户发送端无需知道任何子信道状态信息，以及在传输过程中无需任何反馈重传机制，并且满足对主用户通信干扰限制的条件下，给出传输方法的操作步骤和最大化从用户吞吐量时各个从用户选择的子信道数目的最佳值，从而完成认知多用户多信道系统中各用户信息的有效可靠的传输。

附图说明

图1是基于无速率码的认知多用户多信道系统的系统框图；

图2是给定译码信干噪比门限值ξ＝9dB，从用户传输信噪比

系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随从用户选择的子信道数目L变化的仿真曲线图；

图3是给定译码信干噪比门限值ξ＝9dB，各从用户按照最优的L^*值选择子信道，系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随从用户传输信噪比

变化的仿真曲线图；

图4是给定从用户传输信噪比

各从用户按照最优的L^*值选择子信道，系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随译码信干噪比门限值ξ变化的仿真曲线图。

具体实施方式

基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法中，认知多用户多信道系统由任意个主用户和K＝8个从用户组成，系统中包含N_total＝256条子信道，在每一个长度为T＝0.001s的传输时隙，每一个从用户所面对的所有子信道都是独立同分布，服从方差参数σ²＝1的瑞利信道；各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态，主用户不占用子信道对应的状态为“空”，反之为“忙”，对于子信道n，由状态“忙”向状态“空”的转移速率为α＝0.4(1/s)，由状态“空”向状态“忙”的转移速率为β＝0.4(1/s)，其中n为子信道标号，n＝1，2，...256；各个从用户感知子信道“空”或“忙”状态的误检概率为θ＝0.05，虚警概率为δ＝0.1；对于从用户k，其发送端有H_k＝100000个消息数据包需要传输，其中k表示从用户标号，k＝1，2，...，8，从用户k对自己的100000个消息数据包通过无速率码进行编码，无速率码编码方式可以采用Raptor Code，并设定编码参数ε＝0.028(见“Raptor Codes”，IEEE Transactions on Information Theory，Vol.52，No.6，June 2006)，得到源源不断生成的编码包，并按照如下步骤进行接入传输操作：

1)在每一个传输时隙，从用户k的发送端首先感知各个子信道的“空”或“忙”的状态，从用户k的发送端在每一个传输时隙感知得到的状态为“空”的子信道数目N可由下式表达：

$N=N_{\mathrm{total}}(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·(1-\mathrm{\δ})+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·\mathrm{\θ})\stackrel{\·}{=}121;$

2)从用户k的发送端从N＝121条感知得到的状态为“空”的子信道中随机选择L条供自己使用，在每一条选中的子信道上发送一个编码包，从用户k的传输信噪比设定为

3)从用户k的接收端接收从选中的子信道上传输而来的编码包，设定一个译码信干噪比门限值ξ＝9dB，只有当编码包的接收信干噪比大于此门限值时，才将该编码包做硬判决并用于译码，否则丢弃该编码包；

4)重复步骤1)到步骤3)，直至从用户k的接收端接收到H_k(1+ε)＝100000×(1+0.028)＝102800个接收信干噪比大于译码信干噪比门限值ξ的编码包并完成译码，其中ε＝0.028是无速率码的编码参数，从用户k的接收端发送一个反馈信息，告知其发送端停止编码包的传输。

在每一个传输时隙，各个从用户从感知得到的状态为“空”的N＝121条独立同分布的子信道中随机选择L条传输自己的编码包。由于感知结果并不是完全准确的，因此从用户所面对的N＝121条感知结果状态为“空”的子信道有可能本身状态是“忙”，此时若从用户选择这些子信道进行编码包的传输，就会发生与主用户编码包的冲突碰撞，影响主用户的通信；而从用户在选择感知结果状态为“空”而本身状态确实为“空”的子信道传输编码包的过程中，主用户可能突然占用这些子信道，这时从用户的编码包也会与主用户的编码包冲突碰撞，影响主用户的通信。以上两种情况对主用户的通信都会产生干扰，从用户自身的通信也会由于其编码包与主用户的编码包的冲突碰撞而受到影响。为了保护主用户的通信，以上总的冲突概率必须限制在一定的界限内，各个从用户需要在满足对主用户通信干扰限制的条件下，完成自己的信息传输。

由于这是一个分布式的系统，在从用户通信的过程中，多个从用户可能在一个传输时隙选择到相同的一个或多个子信道，这时会发生不同从用户编码包的碰撞混叠，影响从用户的通信质量和从用户吞吐量。

从用户k的吞吐量为： ${\mathrm{\η}}_k=\frac{H_k}{M_k}=\frac{100000}{M_k}$

其中k是从用户标号，k＝1，2，...，8，M_k是从用户k完成通信所需要的时隙个数，

式中表示上取整运算。由此可以看出，从用户吞吐量由从用户在每一个传输时隙随机选择的子信道数目L决定。L取值越大时，从用户编码包相互碰撞混叠的概率越大，接收信干噪比大于译码信干噪比门限值ξ的概率越小，从用户吞吐量越小；当L取值越小时，从用户编码包相互碰撞混叠的概率越小，虽然接收信干噪比大于译码信干噪比门限值ξ的概率会越大，但没有完全利用可以传输信息的能力，导致从用户吞吐量也并非最大化。因此在给定从用户与主用户的编码包相冲突碰撞的最大概率限制Γ＝0.025的情况下，可以按照如下方法确定各个从用户在每一个传输时隙随机选择的子信道数目的最佳值L^*，从而在满足对主用户通信干扰限制的条件下，最大化从用户吞吐量：

(1)计算L的取值上限值

(2)计算拐点值 $\tilde{L}=N\frac{1+\mathrm{\ξ}}{\mathrm{K\ξ}}\stackrel{\·}{=}17.029;$

(3)计算 $L_{\mathrm{optimal}}=\min \{L_{\max },\tilde{L}\}=17.029;$

(4)根据L_optimal的值进行判决，如果L_optimal＝L_max，则令L^*＝L_max，退出L^*的求解过程；否则进入步骤(5)；此时L_optimal≠L_max，因此进入步骤5)；

(5)令

令函数

将L_left和L_right代入f(L)的表达式中，如果f(L_left)≥f(L_right)，则令L^*＝L_left；否则令L^*＝L_right。

按照上述方法可以求出L^*＝L_left＝17。

图2是译码信干噪比门限值ξ＝9dB，从用户传输信噪比系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随从用户选择的子信道数目L变化的仿真曲线图。图中的截止线表示从用户在满足对主用户通信干扰限制的情况下L的取值上限L_max，由图可以看出，在满足对主用户通信干扰限制的情况下，存在一个最优的L^*使从用户吞吐量最大化。图3是给定译码信干噪比门限值ξ＝9dB，各从用户按照最优的L^*值选择子信道，系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随从用户传输信噪比

变化的仿真曲线图。由图可以看出，随着从用户传输信噪比

的增大，从用户吞吐量增大。图4是给定从用户传输信噪比

各从用户按照最优的L^*值选择子信道，系统中从用户数目K＝2，4，8，16时，从用户吞吐量随译码信干噪比门限值ξ变化的仿真曲线图。由图可以看出，随着译码信干噪比门限值ξ的增大，从用户吞吐量减小。

Claims (1)

1.一种基于无速率码的认知多用户多信道系统的分布式接入传输方法，其特征在于，认知多用户多信道系统由任意个主用户和K个从用户组成，系统中包含N_total条子信道，在每一个长度为T的传输时隙，每一个从用户所面对的所有子信道都是独立同分布，服从方差参数σ²＝1的瑞利信道；各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态，主用户不占用子信道对应的状态为“空”，反之为“忙”，对于子信道n，由状态“忙”向状态“空”的转移速率为α，由状态“空”向状态“忙”的转移速率为β，其中n为子信道标号，n＝1，2，...N_total；各个从用户感知子信道“空”或“忙”状态的误检概率为θ，虚警概率为δ；对于从用户k，其发送端有H_k个消息数据包需要传输，其中k表示从用户标号，k＝1，2，...，K，从用户k对自己的H_k个消息数据包通过无速率码进行编码，得到源源不断生成的编码包，并按照如下步骤进行接入传输操作：

1)在每一个传输时隙，从用户k的发送端首先感知各个子信道的“空”或“忙”的状态，从用户k的发送端在每一个传输时隙感知得到的状态为“空”的子信道数目N可由下式表达：

$N=N_{\mathrm{total}}(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·(1-\mathrm{\δ})+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\·\mathrm{\θ});$

2)从用户k的发送端从N条感知得到的状态为“空”的子信道中随机选择L条供自己使用，在每一条选中的子信道上发送一个编码包，从用户k的传输信噪比设定为

3)从用户k的接收端接收从选中的子信道上传输而来的编码包，设定一个译码信干噪比门限值ξ，只有当编码包的接收信干噪比大于此门限值时，才将该编码包做硬判决并用于译码，否则丢弃该编码包；

4)重复步骤1)到步骤3)，直至从用户k的接收端接收到H_k(1+ε)个接收信干噪比大于译码信干噪比门限值ξ的编码包并完成译码，其中ε是无速率码的编码参数，从用户k的接收端发送一个反馈信息，告知其发送端停止编码包的传输；

所述的从用户k的发送端从N条感知得到的状态为“空”的子信道中随机选择L条供自己使用步骤包括：在给定各个从用户在每一个传输时隙感知得到的状态为“空”的子信道数目N、系统中从用户数目K、传输时隙长度T、各子信道由状态“忙”向状态“空”的转移速率α、由状态“空”向状态“忙”的转移速率β、各个从用户感知子信道“空”或“忙”状态的误检概率θ、虚警概率δ、译码信干噪比门限值ζ、从用户传输信噪比

从用户与主用户的编码包相冲突碰撞的最大概率限制Γ的情况下，可以按照如下方法确定各个从用户在每一个传输时隙随机选择的子信道数目的最佳值L^*，从而在满足对主用户通信干扰限制的条件下，最大化从用户吞吐量：

(1)计算L的取值上限值

式中

表示下取整运算；

(2)计算拐点值

(3)计算式中min{.}表示取最小值运算；

(4)根据L_optimal的值进行判决，如果L_optimal＝L_max，则令L^*＝L_max，退出L^*的求解过程；否则进入步骤(5)；

(5)令

式中

表示下取整运算，

表示上取整运算，令函数

将L_left和L_right代入f(L)的表达式中，如果f(L_left)≥f(L_right)，则令L^*＝L_left；否则令L^*＝L_right。

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